期中--有限元计算

材料力学期中测验-杆件受力的有限元计算序言：有限元是一种数值方法，广泛应用于分析工程中出现的各种复杂的受力分析。本次材料力学期中测验内容要求学生对有限元方法的实施步骤有初步了解，用ANSYS软件解决简单的杆件弯曲、扭转和失稳问题。为进一步采用有限元方法解决复杂的工程问题打下基础。有限元计算报告用用：：姓姓名名++班班级级++学学号号.doc作作为为文文件件名名请于第12周末之前交给各班课代表内容要求：1、题号、划分的网格、（至少两种）应力、应变的云图。2、简单归纳有限元的特点以及与材料力学的异同点。以下问题以ansys10.0ED为标准问题1分布载荷作用下的悬臂梁应力计算分析模型如图1-1所示,梁的横截面为矩形宽×高=0.4mх0.8m.受到分布载荷作用。材料的弹性模量200GPa,泊松比0.3。注意：用三维实体单元离散，长度单位m,力的单位N，对应应力单位Pa。1.1进入ANSYS程序1.2设置计算类型MainMenu:Preferences→selectStructural→OK1.3选择单元类型MainMenu:Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→select→Solid185→OK1.4定义材料参数MainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:200e9，PRXY:0.3→OK2001.5生成几何模型生成体MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Blocks→Bytwocorners→WPX,WPY均输入0，Width输入2,Height输入0.8,Depth输入0.4→OK1.6网格划分图1－1悬臂梁的的计算分析模型qA=10KN/mL=2mAqB=0BMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool→(SizeControls)lines:Set→PickAll→在左边的ElementSizeonlines的对话框中点击Apply。会弹出ElementSizesonPickedLines对话框。在ElementSize栏里填入0.1→OK→(backtothemeshtoolwindow)Mesh:Volume,Shape:Free,Mapped,Sweep→Sweep→PickAll(inPickingMenu)→Close(theMeshToolwindow)1.7模型施加约束给左侧面施加固定约束MainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnAreas→选左侧面→OK→select第一行:ALLDOF→第四行VALUE选0:→OK给梁的上顶面施加线性分布载荷在上方（实用工具菜单栏）UtilityMenu:Parameters→Functions→Define/Edit→1)在下方的下拉列表框（第三行）内选择X作为设置的变量；2)在Result窗口中出现{X},写入所施加的载荷函数（力的单位：N）：10000*(2-{X})/2；3)File→Save输入myqq(文件扩展名：func)→返回：Parameters→Functions→Readfromfile：将需要的myqq.func文件打开，任给一个参数名fq→OKUtilitymenu→plotctrls→Symbols→Showpresandconvectas表框内的Faceoutline下拉改为arrowsMainMenu:Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines→拾取梁的上层线→OK→在下拉列表框中选择：Existingtable→Apply→选择需要的载荷参数名qq→OKsolution→loadstepopts→writeLSFile输入文件名（注意：显示的载荷箭头应当沿着长度有长短不同）1.8分析计算MainMenu:Solution→Solve→CurrentLS→OK(toclosethesolveCurrentLoadStepwindow)→OK1.9结果云图显示MainMenu:GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape…→selectDef+Undeformed→OK(backtoPlotResultswindow)→ContourPlot→NodalSolu…→select:Stress→XComponentofstress→OK1.10结果动画显示utilitymenu→Plotctrls→Aanimate→DeformedResults→Stress→X-stress1.11退出系统ANSYSUtilityMenu:File→Exit→SaveEverything→OK问题2表面效应单元模拟一螺栓扭转问题问题描述：表面效应单元：类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。用ANSYS对螺栓模型施加扭转荷载，求解并在后处理器中观察整体柱坐标系下的UY。载荷和边界条件:沿螺栓上端的扭矩Mt等效为切向等效切应力：q=10MPa，底部固定(UX=UY=UZ=0)。设:螺栓直径d=100mm，螺栓长度L=200mm，螺帽直径D=160mm,螺帽高度H=30mm。材料应力—应变关系为线弹性模型，弹性模量200EGPa，泊松比3.0。2.1进入ANSYSANSYSED10.0→inputInitialjobname:bolt_torque→OK2.2设置计算类型MainMenu:Preferences…→selectStructural→OK2.3选择单元类型MainMenu:Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectSolidBrick8node45→Apply→selectSurfaceEffect→3Dstructural154OK(backtoElementTypeswindow)→Close2.4定义材料参数MainMenu:Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:200E3,PRXY:0.3→OK注意前后单位的一致性，本例后面的单位应用mm，所以此处弹性模量用200E3.2.5生成几何模型生成带帽螺栓,用Sweep方法，分别生成中空圆环状的螺帽(R=80mm,r=50mm,H=30mm)和圆柱状的螺栓(r=50mm，L=200mm)，然后用布尔命令Glue，将两体结合.MainMenu:Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→ByDimensions在弹出的对话框中输入Outerradius50,Z-coordinates0200→Apply在对话框中输入螺帽的尺寸。Outerradius50,Optionalinnerradius80,Z-coordinates030.→OK生成图形之后点击ansys截面右上角的蓝色立方体按键（Isometricview）UtilityMenu→workplane→offsetWPbyIncrements,在弹出的对话框中XY，YZ，ZX一栏中填入0，-90,0→OKMainMenu:Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→VolubyWrkPlane→PickAll→点击蓝色立方体（Isometricview）MainMenu:Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Glue→Volumes→PickAll2.6网格划分MainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool在弹出的MeshTool对话框中，并在SizeControls一栏中的Lines组里点击set按键。用鼠标选中所有圆的轮廓线，如图。（如果选错可以点击鼠标左键取消）选好之后在左边的ElementSizeonlines的对话框中点击Apply。会弹出ElementSizesonPickedLines对话框。在NDIV栏里填入5→Apply.同样做法，选AB段→NDIV：5.选BC，CD段→NDIV：2.→OKMainMenu:Preprocessor→Meshing→MeshTool在对话框第4栏Shape组中选中Hex和Sweep选项。选中后点击Sweep按钮。弹出的对话框选择PickAll。2.7选择螺栓帽的侧表面,然后选择与面相关的节点:UtilityMenu→Select→Entities→Areas→FromFull:用鼠标选取螺栓帽的侧表OKUtilityMenu→Plot→AreasUtilityMenu→Select→Entities→Nodes→Attached→AreasAll→SelectAll→OKUtilityMenu→Plot→Nodes2.8设置单元类型指针指向2(SURF154)，并建立表面效应单元:MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→ElemAttributes→ElementtypeNum→指向2:SURF154→OKMainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Elements→Surf/Contact→SurfEffect→GenerlSurface→NoextraNode-PickAll2.9选择所有第2类单元，打开单元坐标显示并画出它们:UtilityMenu→Select→Entities→Elements→ByAttributes→ElementTypeNum→2→OKUtilityMenu→PlotCtrls→Symbols→SurfaceloadSymbols→Tan-XPressure→OKUtilityMenu→Plot→Elements2.10在总体坐标原点建立11号局部柱坐标系:UtilityMenu→WorkPlane→LocalCoordinateSystems→CreateLocalCS→AtSpecifiedLoc+→在对话框中填入（0,0,0）→OK→OK2.11把SURF154单元的单元坐标(ESYS)改变为11:MainMenu→Preprocessor→Modeling→Move/Modify→Elements→ModifyAttrib-改变为11UtilityMenu→Plot→Elements2.12建立名为“e_surf”的所有第2类单元的组件:UtilityMenu→Select→Component/Assembly→CreateComponent→建立e_surf所有第2类单元的组件→ok2.13关闭单元坐标系:UtilityMenu→PlotCtrls→Symbols→CS→OFF2.14在SURF154单元上施加10MPa切向力(沿单元X方向):MainMenu→Preprocessor→Loads→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnElement→Pickall(Picke_surf)2.15把“切向X压力”符号改为箭头UtilityMenu→PlotCtrls→Symbols→Showpreandconvectas→Arrow→OK2.16选择everything并画出单元:UtilityMenu→Select→EverythingUtilityMenu→Plot→Elements2.17